基于工程思維的計算機硬件課程群的實驗教學研究

史月美，胡玉蘭··

（忻州師范學院 計算機系，山西 忻州）

一 引言

布魯納的結構主義教學理論倡導學生在掌握相關學科知識時，要尋找并掌握其基本結構及內在規律，在獲取知識時，要注重知識的體系和事物之間的聯系，培養學生的有效思考能力和創新性思維，激發學生的智慧潛力。高等學校計算機相關專業的社會使命是培養工程實踐和創新能力俱佳的高素質人才，特別地，伴隨著美國對我國芯片領域的打壓乃至封鎖、人工智能及物聯網技術的蓬勃發展，全球特別是我國出現了對計算機硬件人才從需求到渴求的局面，而課程實驗的設計與教學是計算機硬件教學質量的關鍵。

二 國內外研究現狀

美國的麻省理工學院曾經在工程教育領域提出教育模式CDIO，引導學生主動學習、重視實踐、注重課程與課程之間的銜接方式來學習工程為目的，提出較完整的符合工程科技人才成長規律和特點的教育模式，旨在培養全面發展的創新型工程技術人才[1-3]。

曉白、曹健從國家芯片戰略的角度論述了我們國家在集成電路領域所面臨的嚴峻考驗，提出了集成電路行業是國家五年規劃的非常重要、緊迫需求和攻堅的領域，同時涉及國家安全領域和戰略層面的定位[4-5]。嚴輝、李瑩瑩以安徽建筑大學計算機科學與技術專業為研究對象，提出面向卓越工程師的人才培養模式，從優化課程體系、開放實驗室和校企合作等方面，為我們提供了一些借鑒，并提出培養學生的專業素養、專業技能和工程實踐能力相結合的觀點[6]。

盧建華論述了Proteus 在數字邏輯“交通燈控制系統”實驗中的應用[7]；冼進、賴曉錚提出基于Multisim 仿真的數字邏輯實驗教學改革，闡述了虛擬仿真教學過程中實驗教學靈活性比較高的特點，在虛擬仿真平臺設計從簡單到復雜的實驗，達到提高學生對計算機硬件課程的學習興趣，從而增強學生的創新思維，提高學生的實踐能力[8]。范琳、翟社平等針對計算機組成原理課程目前的實驗箱教學法存在實驗次數較少、粒度較粗、學生實驗一知半解等問題，提出在實驗教學過程中使用Proteus 仿真軟件，作為傳統實驗教學的補充[9]。

荊蕾、焦來磊在“計算機專業硬件主干課程群建設”中，提出硬件課程群的概念，分析了硬件類課程教學中當前所面臨的困惑，從激發學生學習興趣、調整群內課程設置合理化、有機組織課程內容及實驗環節的考核方面進行了闡述[10]。譚志虎等將Logisim 引入硬件課程實驗，闡述了與商業軟件Multisim、Proteus 對比，Logisim 具有的很多優勢[11]；特別指出功能比商業軟件相對簡單，操作簡單，幾乎可以即學即用，為我們整合硬件課程群的統一實驗平臺提供了指引。

研究者們從國家芯片安全戰略、計算機專業相關課程角度進行研究，在人才培養方式和硬件課程實驗方式上都取得一定的研究成果，為我們的前期研究提供了很好的思路借鑒，將研究重點立之于如何以工程思維的視角整合課程群中課程的實驗教學體系。針對計算機硬件人才的培養，將“工程思想”具體結合和貫穿到我們的日常硬件課程實驗教學中，統一硬件課程群的實驗平臺，就成為硬件課程群實驗研究的主要指導方針。

三 硬件課程群的工程思維體系

針對計算機硬件課程群的知識體系進行分析和研究，大致可以分為系統組成、工作機制、指令系統和接口技術等幾個部分[12]。隨著計算機硬件技術的多維快速發展，計算機硬件知識的教學要求的側重點已經從邏輯器件的設計和小規模硬件設計逐漸向系統工程設計方面轉移，與之相適應的對學生掌握計算機硬件知識的要求也在不斷調整。先進的學習理論，開始強調建立知識體系在整個學習效果中的關鍵作用。因此，如何將該理論結合到計算機硬件課程群實驗體系中，我們采用“總-分”設計，“分-總”實驗的計算機硬件實踐教學體系。

研究創新主要集中在以下兩個方面。

（一） 運用工程思維

使學生掌握數字系統的構成及其指令系統和接口技術，理解各組成部分是如何通過有機連接最終組成整個數字系統的概念，儲備分析問題與深入理解問題的能力，最終為學生具有良好的數字系統分析、設計、實現和調試能力奠定工程思維基礎。

（二） 以計算機專業的硬件課程群為依托

構建硬件課程群中各門課程的知識體系，實驗采用統一的仿真設計平臺。將數字邏輯+計算機組成原理+微機原理+接口與通信等多門課程形成課程群，在實驗層面打通。從基礎的邏輯門開始逐步設計組合邏輯電路、進而設計同步時序邏輯電路，然后設計構建小型數字系統，再設計構建中央處理器所需要的運算器、存儲器和控制器，并最終構建一個能夠處理各種沖突冒險的MIPS、五段流水CPU 及其指令系統和相關接口技術。這種工程思想的實驗設計，有利于培養學生的硬件思維能力和整體項目的設計實現能力。

四 硬件課程群實驗的設計

（一） 設計思路

以最終實現一個五段流水CPU 的數字系統作為硬件課程群的一個系統工程，運用工程思維進行分析設計：

1.需求分析，分析數字系統的主要邏輯功能需求；

2.系統分析，確定系統方案；

3.概要設計，劃分數字系統為控制電路和運算電路兩部分；

4.詳細設計，至頂向下逐步細化各個電路的組成邏輯部件并構建數據通路和控制單元；

5.系統實現，構建數字系統并集成聯調。

將復雜任務逐步細分為相關的幾個階段，利用組合邏輯模塊對輸入數據進行預處理，把處理后的結果用鎖存器保存起來，這些鎖存器構成一個大的同步時序邏輯電路，每來一個時鐘信號，各部件開始工作，其中前面一個部件處理后的數據將作為下一部件的數據輸入，行如流水。通過這種流水線機制可以大幅度提升數字系統的執行效率。如圖1 所示是典型的五段流水線邏輯結構。

（二） 實驗體系

設計實驗體系從五段流水CPU 及其接口技術的頂層開始，逐步細化到機器指令系統、運算器、處理器和存儲系統，進一步細化到中規模集成芯片層，一直細化到最終的邏輯門部件，高屋建瓴指導實踐教學。根據需求統一實驗環境平臺，從底層邏輯門開始，逐步向上構建小型的數字系統，設計構建中央處理器所需要的運算器、存儲器和控制器，并最終構建一個能夠處理各種沖突冒險的MIPS 五段流水CPU 及接口技術的完整實驗體系，最終使整個硬件課程群的實踐形成一個有機的整體，實驗體系如圖2 所示。

圖1 五段指令流水線邏輯結構

圖2 實驗體系邏輯結構圖

（三） 改革成效

通過構建硬件課程群相關課程的知識體系，特別在實驗環節打通，構建前后銜接緊密的實驗體系，經過幾年的實踐，通過問卷調查和測試成績結果分析，實驗教學的有效改革不僅可以提高學生的實踐熱情，激發同學們鉆研知識的欲望，同時反過來促進相關課程的理論學習，逐漸形成良性循環。在學生的學習自主性、對硬件課程的興趣度、師資力量的優化和家國情懷方面都取得了一定的進步。

五 結語

針對硬件課程實驗教學中內容相對獨立、各自為政的教學問題，提出了建立基于工程思維的硬件課程群整體實驗體系，針對硬件實驗環境欠缺、學生對硬件實驗畏難、知識零散的問題，從實驗平臺的統一選擇和實驗內容的設置上，利用繪制原理圖的方式來構建硬件電路，設計實驗難度遞進，逐步將各單元實驗中構建的單元部件集成為復雜系統。指令系統和相關接口與通信，統一使用匯編語言設置與調試。對于有效解決學生缺乏整體工程設計能力、缺乏鉆研精神的問題，提供了較好的解決思路，具有一定的新意。